專利名稱：包括半導(dǎo)體發(fā)光裝置的背光的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光裝置，其包括設(shè)置在透明部件內(nèi)的開口中的光源。可以使用這樣的發(fā)光裝置作為例如顯示器的背光。
背景技術(shù)：
諸如發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體發(fā)光裝置是目前可獲得的最有效光源之一。目前在能夠跨越可見光譜操作的高亮度LED的制造中受關(guān)注的材料系統(tǒng)包括III-V族半導(dǎo)體， 尤其是鎵、鋁、銦和氮的二元、三元和四元合金，也稱作III-氮化物材料；以及鎵、鋁、銦、 砷和磷的二元、三元和四元合金。通常III-氮化物裝置是外延生長在藍(lán)寶石、碳化硅或者 III-氮化物襯底上，且III-磷化物裝置是通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其他外延技術(shù)外延生長在砷化鎵上。通常，η型區(qū)域沉積在襯底上，然后發(fā)光或作用區(qū)域沉積在η型區(qū)域上，然后P型區(qū)域沉積在該作用區(qū)域上。層的順序可以相反使得 P型區(qū)域臨近該襯底。半導(dǎo)體發(fā)光裝置的一個(gè)有前途的用途是用于液晶顯示器(IXD)中的背光。IXD通常用于手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、便攜式音樂播放器、膝上型計(jì)算機(jī)、桌上型監(jiān)視器和電視應(yīng)用。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例涉及需要背光的彩色或單色、透射LCD，其中背光可以使用一個(gè)或多個(gè)LED發(fā)射白光或彩色光。使用藍(lán)光LED和遠(yuǎn)端磷光體層以產(chǎn)生白光的實(shí)施例也是可能的。LED與激光二極管的區(qū)別在于LED發(fā)射非相干光。在美國公開申請(qǐng)2009-004M20中描述的一個(gè)背光，在這里作為參考引用并且示于圖1中“安裝在底座22上的側(cè)發(fā)光式LEDlO設(shè)置在固體的、透明波導(dǎo)材料36的區(qū)段的開口中…波導(dǎo)區(qū)段36設(shè)置在較大波導(dǎo)40的狹槽42中?！?。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及可用于顯示器的背光的發(fā)光裝置。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供具有開口以用于實(shí)光源和虛光源的透明部件。諸如半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光源設(shè)置在可用作顯示器中波導(dǎo)的透明部件的第一開口內(nèi)。透明部件圍繞光源。在發(fā)光裝置的實(shí)施例中，可以使用頂部發(fā)光式LED而非側(cè)發(fā)光式LED。沒有光源設(shè)置在透明部件的第二開口中。第二開口可充當(dāng)虛光源。在一些實(shí)施例中，反射器設(shè)置在光源上方。反射器包括平坦部分和成形部分。該成形部分從平坦部分向光源延伸。本發(fā)明的實(shí)施例可以減少發(fā)光裝置產(chǎn)生具有足夠均勻度和光混合的期望光數(shù)量所需的光源數(shù)量。


圖1是設(shè)置在波導(dǎo)內(nèi)的波導(dǎo)區(qū)段的透視圖。圖2是具有翻模(overmolded)圓頂透鏡的薄膜倒裝芯片LED的橫截面圖。圖3是設(shè)置在一部分波導(dǎo)中的開口內(nèi)的LED的頂視圖。
圖4是設(shè)置在波導(dǎo)開口內(nèi)的LED的橫截面圖。圖5是具有實(shí)和虛光源的一部分波導(dǎo)的頂視圖。圖6是包括用于反射光的特征部分的一部分波導(dǎo)的頂視圖。圖7示出了具有成形透鏡的LED。圖8是一部分波導(dǎo)的頂視圖。
具體實(shí)施例方式LED設(shè)置在波導(dǎo)內(nèi)部的背光，諸如US2009-004M20中描述的背光是有利的，這是因?yàn)椴▽?dǎo)以及因此背光可以保持較薄。還期望的是減少用于背光的LED數(shù)量，以降低背光的成本。從LED頂表面發(fā)射大部分光的LED可以比US2009-004M20中所述側(cè)發(fā)光式LED 具有稍微高的通量。本發(fā)明的實(shí)施例是涉及諸如頂部發(fā)光式LED設(shè)置在波導(dǎo)內(nèi)部的背光的
直ο適當(dāng)?shù)捻敳堪l(fā)光的一個(gè)例子是具有翻模圓頂透鏡的LED。具有圓頂透鏡的適當(dāng)?shù)?LED的例子描述在例如美國專利7，344，902中，其在這里參考引入。圖2是具有圓頂透鏡的 LED的簡化特寫圖，其在美國專利7，344，902中描述，在這里參考引入。單一的倒裝芯片LED 管芯10安裝在由諸如陶瓷或硅的任意適合材料形成的底座M上。圖2的LED管芯10具有P金屬接觸27、ρ型層觀、發(fā)光有源層30、η型層32和接觸η型層32的η金屬接觸31。 底座M上的金屬襯墊是直接金屬結(jié)合至接觸27和31。通過基座M的通孔終止在基座M 的底表面上的金屬襯墊中，其結(jié)合至電路板45上的金屬引線40和44。金屬引線40和44 連接到其他LED或電源供應(yīng)器。電路板45可以是具有金屬引線40和44覆蓋在絕緣層上的金屬板(例如，鋁)。模制透鏡22封裝LED管芯10。η型層32、發(fā)光層30和ρ型層觀在生長襯底上生長，然后發(fā)光層30和ρ型層觀的部分被刻蝕掉以暴露η型層32的部分。N和ρ接觸31和27形成在η和ρ型半導(dǎo)體層的暴露部分上。為了減小LEDlO的厚度和防止光被生長襯底吸收，生長襯底通過適合于該襯底的方法移除，諸如刻蝕、化學(xué)-機(jī)械拋光或激光熔融，其中激光器加熱III-氮化物結(jié)構(gòu)和生長襯底的界面，熔融III-氮化物結(jié)構(gòu)的部分并且使該襯底從半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)脫離。生長襯底可在LED陣列安裝在子基座晶片之后和LED/子基座被單片化(例如，通過鋸切)之前移除。在一些實(shí)施例中，生長襯底移除后，例如利用光子晶體使剩余的III-氮化物結(jié)構(gòu)變薄和/或變粗糙或圖案化。圖2中沒有示出大體上平坦的磷光體層可以設(shè)置在LED的頂部上用于波長轉(zhuǎn)換從發(fā)光層30發(fā)出的至少一部分藍(lán)光。磷光體層可以預(yù)成型為陶瓷片并且貼在LED層上，或者諸如通過電泳而沉積磷光體顆粒。從磷光體層發(fā)出的光，當(dāng)與從LED有源區(qū)域發(fā)出的藍(lán)光混合時(shí)，產(chǎn)生白光或另一期望的顏色。例如，發(fā)藍(lán)光LED可以與單一的發(fā)黃光磷光體或發(fā)紅光磷光體和發(fā)綠光磷光體組合以產(chǎn)生白光。如果使用發(fā)UV光LED，則可添加發(fā)藍(lán)光磷光體?？蓪l(fā)射其它顏色光的磷光體添加到LED或者系統(tǒng)中較遠(yuǎn)的其它某處以實(shí)現(xiàn)期望的混合顏色點(diǎn)，白光。圖2示出的圓頂透鏡20然后模制于LEDlO上。本發(fā)明的實(shí)施例可以使用如圖2 中所示具有或不具有圓頂透鏡10的薄膜倒裝芯片LED。除了圖2示出的球形圓頂透鏡以外的透鏡形狀可以用于調(diào)整裝置的輻射圖形。透鏡可成形為控制波導(dǎo)中的光線角度和傳播， 諸如在波導(dǎo)的平面中稍微更準(zhǔn)直。圖7示出了具有成形透鏡76的裝置。透鏡76包括頂部分78，其成形為引導(dǎo)光進(jìn)入反射器66(下文參考圖4描述)；以及底部分，其成形為引導(dǎo)光進(jìn)入波導(dǎo)50。圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的位于波導(dǎo)內(nèi)的頂部發(fā)光式LED的頂視圖。盡管具有圓頂透鏡的LED被示出，但是可使用不具有圓頂透鏡的裝置。安裝在基座(圖3中未示出)上的圓頂LED60設(shè)置于靠近固態(tài)、透明波導(dǎo)50的邊緣52而形成的開口 M中。開口 M可以足夠大使得LED60的圓頂?shù)倪吘壘嚯x開口的邊緣在100微米和2. 5毫米之間，這是為了使 LED60容易放置于開口 M中。波導(dǎo)50可以是例如丙烯酸類(例如，PMMA)、硬硅樹脂、模制塑料、聚碳酸酯或其它任意合適的材料。鏡面薄膜(未示出)可以覆蓋在波導(dǎo)50的底部。 該薄膜可以是例如從3M公司可獲得的增強(qiáng)型鏡面反射器(ESR)膜。開口 M成形為引導(dǎo)光進(jìn)入波導(dǎo)50。在圖3示出的裝置中，靠近波導(dǎo)50的邊緣52 的開口 M的部分58是V形的，而開口 M離該邊緣最遠(yuǎn)的部分56是彎曲的。入射到彎曲邊緣56的光53發(fā)射進(jìn)入波導(dǎo)50中，如示出的。入射到V形邊緣58的光51折射向波導(dǎo)邊緣52，其中光被反射進(jìn)入波導(dǎo)50中。也可以使用簡單的圓形或稍微成形為橢圓形的開口討。另外，內(nèi)耦合邊緣56和58的邊緣可以是波狀的，以使光的分布擴(kuò)散于該波導(dǎo)中以實(shí)現(xiàn)期望的均勻性同時(shí)減少LED的數(shù)量。圖4是設(shè)置在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的波導(dǎo)中的頂部發(fā)光式LED的橫截面圖。盡管示出的是不具有圓頂透鏡的LED，也可以使用具有圓頂透鏡的裝置。LED60包括安裝于支座62 上的半導(dǎo)體LED結(jié)構(gòu)64。LED60可以設(shè)置在波導(dǎo)50的開口 M中，使得支座62位于波導(dǎo)50 的底面55的下方而半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)64位于波導(dǎo)50的底面55的上方。支座62的頂表面63可以是反射性的。由于LED60是頂部發(fā)光式LED，反射器66設(shè)置在LED60上方，以將發(fā)射的光重新引導(dǎo)入波導(dǎo)50中。反射器66可以包括在波導(dǎo)50的頂表面57下面突出的部分68，以將光引導(dǎo)入波導(dǎo)50中，如圖4示出的。突起部分68可成形為避免使垂直于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)64的頂表面發(fā)射的光直接反射回可能吸收該光的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)64中。對(duì)于突起部分68的一個(gè)合適的形狀是如圖4示出的錐體。圖4示出的椎體可以具有在LED圓頂?shù)闹睆胶烷_口 M的尺寸之間的尺寸。諸如彎曲或拋物線形狀的其它形狀也是可以的。反射器角度可以從例如15 度到60度改變。反射器66可以由任意剛性材料制成，諸如塑料，并且可以涂布有反射性材料，諸如反射金屬、涂層、涂料或二色性堆疊?？蛇x擇的，反射器66可以由產(chǎn)生全內(nèi)反射的材料形成。反射器66可以具有例如與開口討相同的橫向?qū)挾?，或稍微較大，這樣反射器66 的邊緣可以擱置于波導(dǎo)50的頂部上。在諸如用于計(jì)算機(jī)監(jiān)視器或電視機(jī)的大型背光中，多個(gè)LED沿著波導(dǎo)50的邊緣52 布置。LED和開口的間距是所使用的LED數(shù)量和背光的線性尺寸的函數(shù)。例如，在傳統(tǒng)的對(duì)英寸背光中，可使用60個(gè)LED以達(dá)成好的顏色均勻度。使用所述實(shí)施例，相同的M英寸背光的LED數(shù)量可以減少至15到30個(gè)LED而不用犧牲均勻度或增加框架(bezel)的長度。圖5是部分波導(dǎo)的頂視圖。兩個(gè)LED60位于開口 M內(nèi)，如圖3示出的。開口 M 之間隔開的開口 70不包含LED。從LED60發(fā)出的光反射離開開口 70的邊緣，使得開口 70 成為“虛”光源。在一些實(shí)施例中，開口 70的一個(gè)或多個(gè)邊緣涂布有反射性材料。虛光源可以放置在LED開口之間，并且能夠在寬度上從LED寬度延伸至高達(dá)LED之間空間的3/4 處。在一些實(shí)施例中，開口 70填充了低折射率的材料，諸如空氣或低折射率的硅酮。與具有相同數(shù)量的LED而沒有空的開口 70的背光對(duì)比的是，包括開口 70而在該開口中不具有 LED可以改進(jìn)背光的均勻度，或與具有背光而沒有空的開口 70對(duì)比的是，對(duì)于波導(dǎo)50中的給定水平的光混合和光均勻度而言，可以允許進(jìn)一步隔開LED60。在減少LED的數(shù)量時(shí)，改進(jìn)的混合和均勻度可減少所需背光以及監(jiān)視器邊框高度，并且因此可使其最小化或保持恒定。圖6是具有在LED的開口之間的波導(dǎo)邊緣上形成的特征部分的波導(dǎo)的頂視圖。在圖6的裝置中，代替圖5中示出的空開口 70或除該開口之外，特征部分72形成在波導(dǎo)50 的邊緣52上。特征部分成形為使從LED60發(fā)出的光反射朝向鄰近LED而進(jìn)入波導(dǎo)50的主體內(nèi)。對(duì)于特征部分72的合適形狀的一個(gè)例子是在波導(dǎo)50的邊緣52上的V形凹槽，如圖 6示出的。在一些實(shí)施例中，特征部分72是彎曲的。包括特征部分72的波導(dǎo)50的邊緣52 可以是反射性的，例如通過在邊緣上涂布反射性薄膜或?qū)⒈∧べN在邊緣上。如圖6示出的， 在其中設(shè)置了 LED60的開口討無需如圖3中所示的那樣成形。在圖6示出的裝置中，開口 M是圓形的。其它形狀也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。V形特征部分可以從靠近LED處開始并且具有連續(xù)彎曲的形狀。在一些實(shí)施例中，在不同附圖中示出的特征部分可以組合。例如，如上所述，可以使用具有或不具有圓頂透鏡的頂部發(fā)光式LED。圖4示出的頂部反射器可以使用在圖3、5、 6示出的裝置中的開口上?？稍诟鱾€(gè)實(shí)施例中使用具有不同形狀的開口。圖8示出了一些變型。除了或代替圖6中示出的特征部分72，波導(dǎo)50的邊緣可以包括多個(gè)彼此臨近設(shè)置的特征部分，使得該邊緣被持續(xù)紋理化成如圖8示出的有缺口的形狀80?？蛇x擇的，邊緣上的多個(gè)特征部分可以彼此臨近設(shè)置，然后與邊緣上的多個(gè)特征部分的下一組通過未經(jīng)紋理化邊緣的部分分割開。相較于其中設(shè)置有實(shí)光源的開口 86，虛光源84與波導(dǎo)50的邊緣相隔更靠近。多個(gè)虛光源84設(shè)置于靠近單個(gè)實(shí)光源86?？舍槍?duì)虛光源和實(shí)光源而使用開口的其它形狀。圖8示出的開口 82具有彎曲部分82a，其向著開口的中心彎曲，這與從開口中心向外彎曲的彎曲部分82b相對(duì)。上述實(shí)施例可以用于IXD顯示器的背光。在完成的顯示器中，薄散射膜可以貼在波導(dǎo)50的頂表面上用于散射光。增亮膜(BEF)可以設(shè)置在散射膜上方以直接重新引導(dǎo)光至波導(dǎo)50前面的一相對(duì)小的角度內(nèi)，從而增加在正面觀察方向內(nèi)的亮度。傳統(tǒng)的彩色或單色I(xiàn)XD然后設(shè)置在波導(dǎo)50上方。IXD可以產(chǎn)生使用像素光閘(例如，結(jié)合TFT陣列的液晶層)、偏光器和RGB濾色器的彩色圖像。這樣的IXD是已知的。上述實(shí)施例的其它應(yīng)用包括薄廣告燈箱。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括光源60，其具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)64，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在η型區(qū)域和P型區(qū)域之間的發(fā)光層；透明部件50，其包括第一開口 M和第二開口 70，其中光源設(shè)置在第一開口中使得該透明部件圍繞光源；第一開口設(shè)置為靠近該透明部件的邊緣52 ；以及沒有光源設(shè)置在第二開口中。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中第一和第二開口Μ、70中的每一個(gè)都在透明部件50中包括孔。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其中光源60配置成使得大多數(shù)光通過半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)64的頂表面逸出該光源。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其中光源60包括設(shè)置在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)64上的圓頂透鏡。
5.如權(quán)利要求1的裝置，其中第一開口M的第一部分58靠近邊緣52并且成形為引導(dǎo)光朝向該邊緣；以及第一開口的第二部分56與該邊緣相對(duì)并且成形為引導(dǎo)光遠(yuǎn)離該邊緣。
6.如權(quán)利要求5的裝置，其中第一部分58是V形的，并且第二部分56是彎曲的。
7.如權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括設(shè)置在光源上的反射器66，該反射器包括平坦部分和成形部分68，其中成形部分從平坦部分延伸向光源60。
8.如權(quán)利要求7的裝置，其中反射器66的成形部分68包括錐體。
9.如權(quán)利要求1的裝置，其中第一開口M具有彎曲部分并且第二開口 70具有至少一個(gè)直邊。
10.如權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括設(shè)置在第二開口70的側(cè)面上的反射涂層。
11.如權(quán)利要求1的裝置，其中光源60是第一光源，該裝置進(jìn)一步包括第三開口M和第二光源60，其中第二開口 70設(shè)置在第一和第三開口之間；和第二光源設(shè)置在第三開口中。
12.如權(quán)利要求1的裝置，其中光源60是第一光源，該裝置進(jìn)一步包括第三開口 54，其設(shè)置為鄰近透明部件50的邊緣52 ；第二光源60，其設(shè)置在第三開口中；和設(shè)置在第一和第三開口之間的特征部分72，其中該特征部分從透明部件的邊緣延伸向透明部件的中心。
13.如權(quán)利要求12的裝置，其中特征部分72是透明部件50中的V形凹槽。
14.如權(quán)利要求12的裝置，其中該特征部分是彎曲的。
15.如權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括設(shè)置在透明部件50上的液晶層。
全文摘要
諸如半導(dǎo)體發(fā)光二極管64的光源60設(shè)置在透明部件50的第一開口54中，其作用為顯示器中的波導(dǎo)。透明部件圍繞光源。沒有光源設(shè)置在透明部件的第二開口70中。在一些實(shí)施例中，第一開口成形為引導(dǎo)光至該透明部件中。在一些實(shí)施例中，反射器66設(shè)置在光源上。反射器包括平坦部分和成形部分68。成形部分從平坦部分向光源延伸。
文檔編號(hào)F21V8/00GK102378930SQ201080015233
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者G·W·恩格, S·J·比爾休曾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 飛利浦拉米爾德斯照明設(shè)備有限責(zé)任公司